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跨越技术鸿沟:从TCPIP到NDN

2018年10月, 视频网站YouTube在全球范围内上演宕机,影响范围包括美国、澳大利亚、日本和欧洲各国。就在几天前,多位北京地区用户反映无法用手机、电脑打开百度网站,提示「无法连接到服务器」。为什么会互联网出现这种上不了网、看不了视频事情呢?

其实,对我们普通用户来说,我们主要通过浏览器和各种移动App也访问网络,我们也经常称之为「上网」,然后去浏览各类网站,阅读新鲜的资讯,观看精彩的视频等等。而所有这些都需要通过互联网底层通信协议,而在其中最为重要的就是TCP/IP协议。

可以说,正是有了TCP/IP 协议的支撑,我们才能感受到互联网世界的互联互通,我们才能把信息从一台机器发送到另外一台机器,我们才能在网络世界中浏览无尽的内容。很多时候,当我们无法上网,或者访问视频时出现卡顿都是在TCP/IP也就是网络传输层面出现了问题。

基于TCP/IP协议的互联网基础设施已经岌岌可危

但是,随着互联网的高速发展以及科学技术的进步,互联网的使用场景也越来越多样化,最大的需求是满足人们内容获取和分发。但是现有的TCP/IP方式只能提供一个一个通讯管道,而且TCP/IP 协议只负责通信管道的维护,不关注传输的内容,而「内容」又是目前我们访问网络世界最为重要的理由,这意味着基于TCP/IP互联网基础设施已经岌岌可危,互联网世界也即将迎来一场通信革命。

当然,任何一项颠覆式的技术创新都不是一蹴而就的,其背后可能会涉及多种复杂的因素,我们先回到TCP/IP在刚被发明的时候,先看看这项技术出现的背景,以及最早发明该技术时想要解决的核心问题是什么。

TCP/IP被发明的初衷是什么?

TCP/IP起源于1969年美国国防部DOD(The United States Department Of Defense)高级研究项目管理局APRA(AdvancedResearch Projects Agency)对有关分组交换的广域网(Packet-Switched Wide-Area Network)科研项目,因此最初的网络被称之为ARPANET。

TCP/IP技术被发明不久后,就得到了国际众多厂商的支持,随后就产生了很多分散的网络。而所有这些单个的TCP/IP网络都互联起来称为Internet,这就是互联网早期的「雏形」。再经过几十年的发展,基于TCP/IP协议的Internet已逐步发展成为当今世界上规模最大、拥有用户和资源最多的一个超大型计算机网络,TCP/IP协议也因此成为事实上的「工业标准」。

最初在发明TCP/IP协议的时候,互联网的使用场景主要是实现计算机的互联互通,以实现硬件资源的共享(因为在大型机时代硬件资源稀缺其成本较高),通过共享可以节省成本和提高效率。由于这个时期的通信方式主要发生在两个具体的实体设备间,需要确定具体的设备位置,因此IP数据包是以IP地址进行打包的,以IP地址标识具体的设备,IP包中源地址和目的地地址的设计就是为了满足这种发证在两台具体设备间的通信需求。

总的来说,人们最早设计互联网是为了把一些超级计算机连接起来,从而能够使用这些超级计算机提供的计算服务,但毕竟除了科学家之外只有很少一部分人需要这些超级计算机的计算能力。因此基于主机地址的TCP/IP 协议就很适合这些按地址寻找某些特定超级计算机而且用户人数不多的应用。TCP/IP提供的通信方式是独特的,也是具有开创性的,然而它解决问题的仍然是两个实体之间端到端的数据信息交换,如下图所示,这就是我们经常提到的「三次握手」:

但自从进入移动互联网时代以后,一切都变得不一样了。最为明显的就是,人们对内容的需求愈发强烈,众多的领域都在倡导「内容为王」。而互联网通信的底层的逻辑,悄然间也发生了很大的改变。

现代互联网更注重内容的分发和传递

现在,互联网更大的需求是来自内容的分发和获取。根据思科年度互联网流量数据报告,预计到2022年,全球IP年流量将达到每年4.8ZB,也就是每个月396EB,其中高达75%的内容都是来自信息的分发和获取需求。而这些需求的变化,进一步导致TCP/IP出现越来越多的问题。其主要包括以下几个方面:

l 网络安全漏洞多,容易遭受攻击和传输可信度不高。

l IPv4的网络地址不足(尤其中国用户多,需求大,最初国际IP地址分配的资源就相对少),限制了更大规模的扩展。

l 网络服务质量QoS(Quality of Service)管控能力弱,不能保障高质量的网络服务。

l 网络带宽和性能不能满足用户的需求。

l 传统无线移动通信与互联网属于不同技术体制,难以实现高效的移动互联网等等。

未来的解决方案是什么?

近年来,国际上形成了两种发展未来互联网的技术路线:一种是「渐近式」的路线,即不断「改良」和「完善」现有的IPv4协议,最终平滑过渡到IPv6;另一种是「革命性」的路线,即重新设计以信息为中心的网络ICN(Information-Centric Networking )作为互联网体系结构,满足未来互联网的发展需要。

ICN(Information-Centric Networking)

以信息为中心的网络ICN是一种将互联网基础通信架构从基于端到端连接的、以主机为中心的通信范式变革为以重点识别信息(内容或者数据)的网络架构体系。

在这种通信范式中,机器之间的连接可以是断断续续的,也可以同名的利用终端主机和网络路由节点作为缓存,因为存储在网络路由中和存储在终端主机中的数据具有完全的等值性,在信息中心网络ICN中的一切都可以看做是信息,可以说这是一个「数据内容」互联的网络,而非TCP/IP那种主机式的互联。其通信的核心对象是信息,并通过数据的名字来标识每一个信息单元。

对网络来说 ,其中传递和存储的都是有名字的信息,网络自身能识别其中的信息单元。具体信息内部包含数据意义,网络系统无法分析,需要依赖上层应用的产生方和需求方进行解析。整个网络中各个节点与程序在各种信息请求和应答的驱动下运行,而ICN网络功能就是协调相关命名数据的传输与缓存,并用智能优化查询正确的数据快速响应用户的需求,用户或应用程序只直接关注信息数据 本身,而与该信息块的其他属性也没有关系。

ICN的愿景是什么?

学术界认为,ICN将改变当前互联网的端到端的通信机制,把内容与终端位置剥离,通过发布/订阅(Publish/Subscribe Paradigm)来提供存储和多方通信服务,ICN 打破了TCP/IP以主机为中心的连接模式,变成了以信息为中心的模式。通过ICN数据将与物理位置独立,ICN网络中任何节点都可以作为内容生产者生产内容。作为一项变革性的技术方案,ICN技术并暂时没有规定具体的实现,但是现有的ICN 架构都有一个共同的目标:

提供更高效的网络架构以满足下一代互联网的内容分发需求,提高网络的安全性,解决网络大规模可扩展问题,并简化分布式应用的开发。

ICN对比TCP/IP

在以往的TCP/IP协议中,客户机必须首先选择一个可以提供内容的服务器地址,比如当我们访问一个网站的时候,我们都需要用到IP地址作为传递参数。而ICN打破了这种以主机为中心的模式,端到端的连接和基于内容分发的唯一命名数据替换了传统的方式,建立一个更安全、可扩展、灵活的网络,并支持位置透明、流动性和间接性的连接。

 ICN技术特点是:一切都是信息,信息互联;我们通过信息的名字就可以标识每一个信息;而网络的作用就是管理所有的信息流动和缓存,并用正确的信息快速响应信息的请求者。可以说,ICN代表了电信行业的第三次革命。

相比TCP/IP,ICN在Scalable and Cost-Efficient Content Distribution(可扩展性和高效的内容分发网络)、Persistent and Unique Naming(持续且命名唯一)、Security Model(安全模式)、Mobility and Multihoming(流动性和多宿主)、Disruption tolerance(中断容忍)等多个维度,都具备显著的技术优势,所以也受到学术界和业界的一致认可。

ICN通信模型

目前,全球范围的ICN项目包括美国的CCN(Content centric networking)、NDN (Named data networking)、DONA(Data-Oriented Network Architecture),还有欧洲的4WARD、COAST、COMBO、CONVERGENCE、GreenICN、NetINf、POINT、PSIRR、PURSUITSAIL、NFN、UMOBILE等等。

像命名数据网络NDN(Named-Data Networking),就是在2010年获得美国国家自然基金NSF(National Sicence Foundation)近800万美元支持的未来互联网体系架构FIND(Future Internet Design)专项研究的一个基础研究信息中心网络项目。主要由加利福尼亚大学洛杉矶分校的张丽霞教授和Van Jacobson先生(目前就职于美国Google公司,UCLA兼职教授)所领导,他们两位目前都是美国计算机协会(Association for Computing Machinery, ACM)和电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)的会士,该项目共有12所美国高校和研究机构联合参加。

这个项目早前也被称为内容中心网络CCN(Content Centric Networking,),这是由帕洛阿托研究中心PARC(Palo Alto Research Center)在NDN项目获得NSF立项之前的项目简称。PARC实现了一个基于ICN思想的开源代码系统CCNx,这也是NDN项目的一个早期的原型研究基础。  

NDN联盟成员

多位学术界的权威人士表示,NDN/CCN是一项蕴含了未来互联网变革的颠覆式成果,是目前国际上学术界和产业界非常看好的项目。在2014年9月,多家知名大学和供应商在UCLA宣布成立命名数据网络联盟,命名数据网络联盟成员包括多个国家的高校成员,包括美国的科罗拉多州立大学、加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)、加州大学圣地亚哥分校 (University of California, San Diego)、密西根大学 (University of Michigan)等知名高校,还有韩国安阳大学,中国的清华大学 、东北大学 (Northeastern University)、中国同济大学以及日本的早稻田大学等等。

值得一提的是,不仅仅学术圈在关注这个项目,同时还有产业界的成员在关注该项目,目前命名数据网络联盟产业成员包括思科 (Cisco Systems) 、美国富士通实验室 (Fujitsu Laboratories of America)、华为 (Huawei Technologies)、英特尔 (Intel Corporation)、瞻博网络 (Juniper Networks)、松下电器 (Panasonic Corporation)、ViaSat等全球知名企业。

NDN项目的愿景

NDN/CCN项目旨在通过建立全新的ICN网络架构体系,争取逐步替代主宰互联网半个世纪的TCP/IP协议。NDN/CCN力求从协议架构设计上彻底地解决TCP/IP设计上的诸多不适应性。NDN/CCN项目主要致力于研究基于名字路由的可扩展性、内容高效分发、内容保护、内容安全、隐私信任模型,以及支持这一设计的基础通信原理等关键问题。

NDN的最新动态

近几年,NDN项目取得了引人注目的发展,越来越多的国际研究机构、人员开始参与其中,在国内也吸引了一大批高校研究学者和学生参与进来。NDN因为其项目理念的先进性、方案的可行性和实质性进展,逐渐成为ICN未来互联网体系架构中的主流。

在SIGCOMM和INFOCOM顶级国际网络会议分别连续举办了两次专门与NDN相关的专题研讨会之后,2019年9月,ACM ICN会议在中国澳门举办,该会议的得到了来自华为、Intel、Cisco、Akamai等顶级网络设备和网络服务提供商的支持, 在本次会议中,我们有幸看到了更多的ICN技术跟实际应用的结合。

从该次会议的演讲内容我们可以看出,NDN占据所有ICN相关项目的主导地位,更可喜在演讲中我们看到了NDN 跟IPFS互补的研究方案,该方案提出了利用NDN 网络增强IPFS的可行性方案,虽然只是一个简单的对比,但是我们看到了NDN跟产业结合的一大步,这也标志着NDN的研究已经走出学术界,进入产业跟各个产业开开始互动,也期待NDN能够跟行业之间产生更多的创意和应用。

我们可以乐观地估计,如果NDN项目能进入实际实验网部署阶段,很有可能成为继云计算、大数据、软件定义网络SDN(Software-Defined Networking)之后,信息技术一个新的爆发点。这种预期是完全可期待的,这是因为NDN一旦走向实践阶段,将会促使整个互联网软件、硬件整体的升级换代,而且必然势不可挡。

以NDN为代表的ICN网络未来可期

未来已来,只是尚未流行。随着互联网新时代的到来,传统的互联网架构已经摇摇欲坠,新的互联网架构呼之欲出,我们相信将会有更多的新技术和ICN结合共建互联网的美好明天,我们也相信,NDN 技术会成为众多技术中最为耀眼的一颗明星。而区块链技术的出现,更是对NDN技术产生了积极的影响,NDN+区块链将共同加速推动互联网新时代的到来。

   



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